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引言 在廣播和傳送系統中，采用一種或者兩種串行接口來(lái)傳輸數字視頻：沒(méi)有壓縮的數據使用視頻串行數字接口(SDI)，壓縮數據使用異步串行接口(ASI)。在視頻設備中，主要采用移動(dòng)圖像和電視工程師聯(lián)盟(SMPTE)定義的SDI來(lái)傳送視頻和音頻數據。 視頻設備能夠支持標準清晰度(SD)數字視頻格式、高清晰度(HD)數字視頻格式，或者同時(shí)支持。SD視頻傳輸的SDI速率為270Mbps, 360 Mbps或者540 Mbps，而HD視頻傳輸的SDI速率為1.485 Gbps或者1.485/1.001 Gbps。HD提供高質(zhì)量的視頻，代表了今后數字視頻廣播的發(fā)展方向。隨著(zhù)HD視頻需求的增長(cháng)，要求硬件能夠處理HD技術(shù)所需的大數據吞吐量。 在數字視頻傳送環(huán)境中，數據傳送的主要方式是ASI的270 Mbps單節目傳送流(SPTS)或者多節目傳送流(MPTS)，這些方式由數字視頻廣播(DVB)協(xié)會(huì )定義。 廣播設備開(kāi)發(fā)人員通常使用ASSP來(lái)實(shí)現SDI和DVB-ASI功能，也可以利用可編程邏輯器件(PLD)，使用PLD中的邏輯和其它嵌入式資源構建所需的各種數字功能，來(lái)實(shí)現這些接口。通過(guò)使用PLD(而不是ASSP)，可以顯著(zhù)降低總成本。某些情況下，在每ASI通道或者每SDI端口的基礎上，PLD不到ASSP成本的1/10。 SDI的可編程邏輯解決方案 要達到SDI和DVB-ASI需要的270Mbps數據速率，可編程解決方案需要提供以下功能： .LVDS I/O .足夠的邏輯容量 .數據恢復能力 .產(chǎn)生時(shí)鐘信號的PLL 對于HD-SDI數據速率，需要采用支持嵌入式SERDES技術(shù)、時(shí)鐘數據恢復，并集成了高速收發(fā)器通道的PLD，例如Altera的Stratix GX系列FPGA。 圖1所示為Altera可編程邏輯中實(shí)現SD-SDI和HD-SDI功能所需的構成單元。SD-SDI解決方案在邏輯單元(LE)中利用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)恢復數據。FPGA中的基本構建模塊LE在SERDES模塊中表示為“軟邏輯”。在HD-SDI解決方案中，嵌入式SERDES和CDR電路完成時(shí)鐘和數據恢復功能。 圖1. 基于PLD的SDI解決方案 圖2.在可編程邏輯中實(shí)現DVB-ASI HD-SDI方案中的其它功能包括發(fā)射機側的線(xiàn)編號插入和循環(huán)冗余校驗(CRC)計算，以及接收機側的線(xiàn)編號提取和循環(huán)冗余校驗。 基于可編程邏輯的DVB-ASI解決方案 可以采用FPGA來(lái)實(shí)現DVB-ASI所需的數據速率，FPGA為ASI接收機和發(fā)射機提供LVDS I/O，并為接收機和發(fā)射機輸入基準時(shí)鐘提供PLL。Altera的Cyclone、Stratix和Stratix GX系列FPGA具備這些功能。圖2所示為在FPGA中實(shí)現DVB-ASI所需的構成單元，包括發(fā)射機和接收機耦合的回環(huán)通道，以及用于內置測試操作的偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS)校驗器和PRBS產(chǎn)生器。 ASI接收機組成： .解串器，將到達的串行數據轉換為10比特寬的并行數據 .過(guò)采樣接口，實(shí)現數據恢復和位同步 .字對齊 .8位/10位編碼器，將10位并行數據轉換為8位寬原始數據 .同步狀態(tài)機探測字同步或者同步丟失 .速率匹配FIFO緩沖匹配到達比特和發(fā)送(或者系統)時(shí)鐘的速率。 圖3. ASI接收機結構框圖 ASI發(fā)射機含有一個(gè)8位/10位編碼器和一個(gè)串化器，編碼器將8位寬的字轉換為10位，串化器將10位并行字轉換為串行數據，采用一個(gè)10位移位寄存器實(shí)現該功能，以字速率從編碼器輸入，以L(fǎng)VDS輸出緩沖比特率輸出。27MHz基準時(shí)鐘乘以10的PLL提供比特率時(shí)鐘，支持抖動(dòng)受控ASI傳輸串化。ASI發(fā)射機構成單元如圖4所示。 在可編程邏輯中實(shí)現SDI和DVB-ASI 一般情況下，采用FPGA實(shí)現一個(gè)ASI通道需要的LE數量少于1,000。Cyclone II FPGA每通道成本低于1美元比現有ASSP方案低得多。 一個(gè)10位SD-SDI全雙工端口在A(yíng)ltera FPGA中只需要400個(gè)LE。對于Cyclone II FPGA中的10位SD-SDI數據，其每端口成本也遠遠低于現有的ASSP方案。對于20位HD-SDI數據，收發(fā)器通道邏輯大約需要1,000個(gè)LE，在Stratix GX器件中實(shí)現這些邏輯時(shí)，每端口成本等于甚至低于A(yíng)SSP的每端口成本。當考慮到可編程邏輯的其它集成性能時(shí)， Stratix GX方案的優(yōu)勢更加突出。 可編程邏輯集成功能還具有其它優(yōu)勢 在典型應用中，DVB-ASI和SDI只是廣播設備全部功能的一部分。例如，DVB-ASI通常用于廣播數據轉發(fā)系統，需要進(jìn)行視頻復用、壓縮、調制和解調、時(shí)隙復用、編解碼等信號處理。這些操作需要前向糾錯(FEC)、濾波、間插、正交振幅調制(QAM)映射、Viterbi和Reed-Solomon解碼等數字信號處理功能。這些功能可以利用FPGA中的資源來(lái)實(shí)現，包括LE、Cyclone II器件中的乘法器,以及Stratix器件中的DSP模塊。 圖4. ASI發(fā)射機結構框圖 通過(guò)將這些功能集成到幾個(gè)器件中，基于FPGA的解決方案進(jìn)一步降低了開(kāi)發(fā)成本，節省了電路板空間，降低了系統復雜性。FPGA所具有的靈活性使開(kāi)發(fā)人員能夠定制實(shí)現設計中每一單元之間的接口，在最短的時(shí)間內加入各種功能，突出設計質(zhì)量。設計人員還可以得到與單個(gè)可編程器件相同的ASI通道或者SDI端口數，而采用ASSP就必須使用多個(gè)分立器件。 參考設計加速產(chǎn)品上市 在SDI參考設計中，對三個(gè)SMPTE建議抖動(dòng)參數進(jìn)行了評估： .抖動(dòng)產(chǎn)生器——器件或者系統產(chǎn)生一個(gè)串行數字信號(在這種情況下是HD-SDI)，它含有某一振幅和頻率的正弦抖動(dòng)。產(chǎn)生的抖動(dòng)也可以是非正弦的。 .接收抖動(dòng)容限——當應用于器件或者系統輸入時(shí)，正弦抖動(dòng)的峰-峰值振幅會(huì )導致性能劣化。 .抖動(dòng)傳送——輸入抖動(dòng)導致的器件或者系統輸出抖動(dòng)。 DVB-ASI標準并沒(méi)有針對抖動(dòng)容限提供任何規范，但可以采用下面的抖動(dòng)參數用于評估Altera的DVB-ASI參考設計： .發(fā)射機的抖動(dòng)產(chǎn)生 .接收機的抖動(dòng)容限 .接收機靈敏度 .輸出振幅和邊沿速率 Cyclone視頻演示板和Stratix GX串行視頻演示說(shuō)明板可以演示這些參考設計。 結語(yǔ) 與ASSP相比，Altera的DVB-ASI和SDI可編程邏輯解決方案能夠顯著(zhù)降低廣播設備的開(kāi)發(fā)成本。將DVB-ASI和SDI功能集成到少量器件中，進(jìn)一步降低了成本、節省了電路板空間，降低了復雜性。 |
